恒定聲壓fsk超聲波渡越時間精確測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種恒定聲壓FSK超聲波渡越時間精確測量方法，有效地克服了超聲波振子機械慣性和阻尼效應(yīng)所帶來的測量誤差（將機械慣性和阻尼效應(yīng)穩(wěn)定在一個固定的值上）。可以有效地提高超聲波測距的精度，實驗表明，采用此方法測量誤差穩(wěn)定在0.1mm的數(shù)量級上。遠遠優(yōu)于同類技術(shù)所能達到的技術(shù)水平。
【專利說明】恒定聲壓FSK超聲波渡越時間精確測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超聲波渡越時間精確測量方法，具體是一種恒定聲壓FSK超聲波渡越時間精確測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]人耳最高只能感覺到大約20kHz的聲波，頻率在20kHz以上的的聲波就是超聲波，超聲波屬于機械波的范疇。
[0003]超聲波遵循一般機械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處會發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減。超聲波的頻率可以非常高，達到兆赫級，因此，超聲波在介質(zhì)中傳播時能量可以集中在很小的范圍內(nèi)，具有良好的成束性，方向性好。
[0004]理論研究表明，在振幅相同的情況下，一個物體振動的能量跟振動頻率的二次方成正比。超聲波在介質(zhì)中傳播時,介質(zhì)質(zhì)點振動的頻率可以很高,因而能量很大。
[0005]利用超聲波能量大這一特點，可以對介質(zhì)產(chǎn)生諸如機械作用、空化作用、熱效應(yīng)和化學效應(yīng)，可進行超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化、霧化、脫氣、除塵、去鍋垢、清洗、滅菌、促進化學反應(yīng)和進行生物學研究等，在工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等各個部門獲得了廣泛應(yīng)用。
[0006]超聲波的另一個顯著特點是沿直線傳播，可以定向發(fā)射。超聲波在同一介質(zhì)中的傳播速度基本恒定，因此利用測量超聲波在該介質(zhì)中經(jīng)過一段距離所用的時間，可以實現(xiàn)非接觸式測距。對于不同的介質(zhì)，超聲波傳播的速度不同，利用這一特性，也可以測定介質(zhì)的特性，如測定酒精的濃度，測量鍋爐中空氣的溫度等等。如果測定了不同介質(zhì)的超聲波傳播特性，則可以測定不同物質(zhì)的類型，如蔗糖溶液、酒精溶液、各種酒類的品質(zhì)特性等等。
[0007]為了測量不同介質(zhì)對于超聲波速度的細微變化(差別)，必須精確測量超聲波在介質(zhì)中所經(jīng)過的時間(渡越時間)，渡越時間的精確測量決定了識別介質(zhì)特征的準確度。
[0008]如果漁船載有水下超聲波發(fā)生器,它旋轉(zhuǎn)著向各個方向發(fā)射超聲波,超聲波遇到魚群會反射回來，漁船探測到反射波就知道魚群的位置了，這種儀器叫做聲納，聲納也可以用來探測水中的暗礁、敵人的潛艇，測量海水的深度。根據(jù)同樣的道理也可以用超聲波探測金屬、陶瓷混凝土制品，甚至水庫大壩，檢查內(nèi)部是否有氣泡、空洞和裂紋，實現(xiàn)無損探測。人體各個內(nèi)臟的表面對超聲波的反射能力是不同的，健康內(nèi)臟和病變內(nèi)臟的反射能力也不一樣。平常說的“B超”就是根據(jù)內(nèi)臟反射的超聲波進行造影，幫助醫(yī)生分析體內(nèi)的病變。
[0009]隨著傳感器和單片機控制技術(shù)的不斷發(fā)展，非接觸式檢測技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域。目前，典型的非接觸式測距方法有超聲波測距、CCD探測、雷達測距、激光測距等。其中，CCD探測具有使用方便、無需信號發(fā)射源、同時獲得大量的場景信息等特點，但CCD測距需要額外的計算開銷。雷達測距具有全天候工作，適合于惡劣的環(huán)境中進行短距離、高精度測距的優(yōu)點，但容易受電磁波干擾。激光測距具有高方向性、高單色性、高亮度、測量速度快等優(yōu)勢，尤其是對雨霧有一定的穿透能力，抗干擾能力強，但其成本高、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。[0010]與前幾種測距方式相比，超聲波測距可以直接測量近距離目標，縱向分辨率高，適用范圍廣，方向性強，并具備不受光線、煙霧、電磁干擾等因素影響，且覆蓋面較大等優(yōu)點。目前，超聲波測距已普遍應(yīng)用在液位測量、移動機器人定位和避障等領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。
[0011]在醫(yī)學上，如果將B型超聲波回波時間的測量精度提高ー個數(shù)量級，則可大大提高B超圖像的清晰度，減少醫(yī)生的誤判概率。
[0012]近年來超聲測試技術(shù)已明顯表現(xiàn)出下列趨向:
1、由定性判斷缺陷的有無而發(fā)展為對缺陷的位置、大小、形狀、性質(zhì)進行定量判斷，并且利用各種成像技術(shù)直接顯示缺陷的二維、三維圖像；
2、向在線自動檢測和儀器的智能化發(fā)展，其中非接觸超聲測試技術(shù)取得突破進展:
3、超聲測試技術(shù)和材料的物性評價相結(jié)合，材料的設(shè)計、加工和工程應(yīng)用迅速發(fā)展。
[0013]如圖1所示，超聲波測距的基本原理，超聲波傳感器由脈沖信號激勵發(fā)出超聲波，通過傳聲介質(zhì)傳到被測物體,形成反射波；反射波再通過傳聲介質(zhì)返回到接收傳感器,傳感器把聲信號轉(zhuǎn)換成電信號，由系統(tǒng)測量出超聲波從發(fā)射到接收所經(jīng)過的時間(渡越時間)，利用公式:
【權(quán)利要求】
1.ー種恒定聲壓FSK超聲波渡越時間精確測量方法，包括如下步驟: (1)載波脈沖發(fā)生器產(chǎn)生兩種頻率的脈沖信號/いぶ，當變頻標識脈沖的邏輯電平發(fā)生變化時，載波脈沖發(fā)生器輸出的頻率就會變化，當變頻標識脈沖為邏輯“I”時，載波脈沖發(fā)生器輸出脈沖信號的頻率為ム，當變頻標識脈沖為邏輯“0”時，載波脈沖發(fā)生器輸出脈沖信號的頻率為石，載波脈沖發(fā)生器輸出的脈沖信號一路送入可編程脈沖放大器I，對脈沖信號進行同相放大，另一路倒相后送入可編程脈沖放大器II，對脈沖信號進行反相放大，此兩路差動功率信號驅(qū)動發(fā)射器輸出超聲波； (2)超聲波接收器將超聲波輪換為電信號，經(jīng)放大電路放大后分為兩路，一路經(jīng)過零觸發(fā)器后輸出脈沖信號供計數(shù)器測量超聲波的頻率，用于檢測變頻點；另一路經(jīng)精密檢波電路將接收到的信號強度變成直流電壓，雙限比較器對此直流電壓的大小進行甄別，當信號強度大于設(shè)定的接收信號電平上限時，比較器的輸出腳up_H=l，down_L=l ;當信號強度小于設(shè)定的接收信號電平下限吋，比較器的輸出腳up_H=0，down_L=0 ;當信號強度介于設(shè)定的接收信號電平上、下限之間時，比較器的輸出腳up_H=0，down_L=l ;可逆計數(shù)器的工作狀態(tài)受up_H、down_L邏輯電平的控制:當up_H=l、down_L=l時,可逆計數(shù)器做減計數(shù)；當up_H=0、down_L=0時,可逆計數(shù)器做加計數(shù)；當up_H=0、down_L=l時,可逆計數(shù)器維持原來的狀態(tài)； (3)所述可編程脈沖放大器的放大倍數(shù)正比于可逆計數(shù)器的計數(shù)值，當超聲波接收器接收到的信號電平較小時，可逆計數(shù)器就會做加計數(shù)操作，可編程脈沖放大器的輸出信號就會増加，超聲波接收器接收到的信號電平也跟著增加，當此電平大到超過設(shè)定的上限電平時(up_H=l, down_L=l),可逆計數(shù)器做減計數(shù),接收電平減小,此時up_H=0, down_L=l,可逆計數(shù)器停止計數(shù)，接收信號電平便穩(wěn)定在這個電平點上； 若此時測量距離增加，超聲波接收器接收到的信號電平跟著減小，當此電平小于設(shè)定的下限電平時(up_H=0, down_L=0),可逆計數(shù)器做加計數(shù),接收電平增大,此時up_H=0,down_L=l，可逆計數(shù)器停止計數(shù)，接收信號電平又穩(wěn)定在這個電平點上； (4)單片機控制變頻標識脈沖的邏輯電平周期性的發(fā)生變化時，載波脈沖發(fā)生器輸出的頻率也會周期性地在/jPぶ之間來回變化，當變頻標識脈沖的邏輯電平變化時，就啟動時間測量電路，用以測量接收的脈沖信號端輸出脈沖信號的周期，判斷此信號的變頻點，變頻標識脈沖的邏輯電平變化與接收的脈沖信號端輸出脈沖信號變頻點之間的時間就是超聲波的渡越時間。
2.如權(quán)利要求1所述的恒定聲壓FSK超聲波渡越時間精確測量方法，其特征在于:所述可逆計數(shù)器的計數(shù)值越大，可編程脈沖放大器輸出脈沖信號的幅度也越大。
3.如權(quán)利要求1所述的恒定聲壓FSK超聲波渡越時間精確測量方法，其特征在于:當電路正常工作時，超聲波接收器接收到的信號電平總是介于設(shè)定電平的上、下限之間，若設(shè)定電平的上、下限設(shè)置的十分靠近，則超聲波接收器接收到的信號電平是恒定的。
【文檔編號】G04F10/04GK103454643SQ201310408949
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月10日
【發(fā)明者】朱金剛, 徐斌, 王效靈, 蔡領(lǐng) 申請人:浙江工商大學